در تمام وسايل حرکتي اطلاع از موقعيت و زاويه جسم و سرعت زاويه اي آن امري ضروري است، چرا که بدون اطلاع از وضعيت جسم، کنترل آن به سمت هدف غير ممکن بوده و امري محال به نظر مي رسد. به دست آوردن اين اطلاعات از روي زمين براي اجسامي مانند موشک يا ماهواره و يا گوشي هاي تلفن همراه، کاري بسيار پيچيده و در بعضي موارد غير ممکن است؛ به عنوان مثال اگر مسير موشک را در مدت زمان معين نتوانيم کنترل کنيم، موشک از مسير خارج شده و ما را به هدف نخواهد رساند.
کلمه ژيروسکوپ از دو کلمه Gyro به معناي دوران و Scope به معناي نشان دادن
تشکيل شده است؛ بنابراين به اين وسيله مي توان دوران نما نيز گفت که وظيفه خود
يعني نمايش دوران را بيان مي کند.
روسکوپ مکانيکي دستگاهي است که متشکل از يک چرخ نخ ريسي به همراه ۲ حلقه مدور به عمود بر يکديگر سوار شده اند. اين چرخ نخ ريسي به دور محور خود با صرف نظر از هم ترازي با حلقه بيروني مي چرخد. و حلقه هاي عمود بر هم با توجه به چرخش چرخ نخ ريسي، گردش مي کنند.
با توجه به توضيحاتي که در ويکي پديا منتشر گرديده اين دستگاه بسيار پيشرفته است و قادر به تشخيص حرکت حول محور X، حول محور Y و حول محور Z است. از طرف ديگر اين دستگاه به عنوان شتاب سنج نيز کاربرد دارد زيرا اين دستگاه قابليت تشخيص ۳ محور خطي برداري از جمله چپ و راست(محور X)، از بالا و پايين(محور Y) و پايين و بالا(محور Z) را دارد اما نمي توان از آن براي اندازه گيري استفاده کرد زيرا چرخش کامل را بعضي زوايا را ندارد.
ژيروسکوپ ها سنسورهايي هستند که ما از آن ها جهت به دست آوردن سرعت زاويه اي و موقعيت زاويه اي استفاده مي کنيم. با پردازش اين اطلاعات مي توان موقعيت کلي جسم را نيز بر اساس محاسبات به دست آورد. ژيروسکوپ عضو اصلي سيستم هاي هدايت اينرسي مي باشد. سيستم هدايت اينرسي که در ناوبري اينرسي مورد استفاده قرار مي گيرد، سيستمي است که جهت مشخص کردن موقعيت يک متحرک مانند وضعيت هواپيما يا کشتي با استفاده از متغيير هاي اينرسي آن مثل سرعت و شتاب به کار مي رود؛ اين امر از طريق اندازه گيري اين کميت ها توسط حس کننده اينرسي انجام مي گيرد.
وظيفه اصلي ژيروسکوپ ها ايجاد يک دستگاه مختصات مرجع است و شتاب سنج ها شتاب متحرک در امتداد چنين محورهايي را اندازه مي گيرند، اين شتاب مي تواند نسبت به دستگاه مرجع اينرسي يا دستگاه مرجع ديگري مثل دستگاه متصل به زمين باشد.
طبق اصل بقاي اندازه حرکت زاويه اي، هر جسم در حال چرخش متقارن، سعي دارد جهت خود را همواره در فضا حفظ کند. لذا اگر يک جسم متقارن با وزن زياد را با سرعت بالا بچرخانيم و اطراف آن را با ياتاقان و بلبرينگ آزاد بگذاريم تا نيروهاي خارجي بر آن اعمال نشود، با چرخش قاب سيستم، جهت چرخش جسم دوار تغيير نمي‌کند؛ بنابراين مي توانيم بدين وسيله در اجسام متحرک، جهت ثابتي داشته باشيم که وضعيت فعلي خود را در هر لحظه با آن مقايسه نماييم و موقعيت زاويه اي و نيز با محاسبه سرعت تغيير، سرعت زاويه اي را به دست آوريم.
عضو اصلي ژيروسکوپ هاي مکانيکي، يک دستگاه دوار يا روتور(rotor) است که معمولاَ با سرعت زياد حول محور تقارن خود دوران مي‌کند. اين سرعت از ٣٠٠٠ تا ٣٠٠٠٠٠ دور در دقيقه است؛ بنابراين در اثر اينرسي جرم دوار، اندازه حرکت ( ممنتوم ) نسبتا بزرگي ايجاد مي شود. اگر ياتاقان بندي محور چرخش را در طوقه اي معلق تعبيه کنيم، به طوري که گشتاور خارجي به آن وارد نشود، با وجود تمام حرکت هاي قاب، محور چرخش روتور همواره در جهت ثابتي مي ماند و موقعيت خود را در فضا حفظ مي کند.
با اين روش مي توان جهت و يا محورهاي ثابتي را براي وسيله نقليه تعريف کرد که هر گونه حرکت زاويه اي نسبت به اين محورها سنجيده مي شود.
خاصيت صلب بودن ژيروسکوپ:
همان گونه که اشاره شد، ژيروسکوپ از خاصيت صلبيت استفاده مي کند. طبق قانون دوم نيوتن، مجموعه گشتاورهاي خارجي وارد بر سيستم دوار حول يک نقطه مانند مرکز ژيروسکوپ برابر است با تغييرات زماني اندازه حرکت زاويه اي سيستم حول همان نقطه، لذا چون اندازه حرکت زاويه اي سيستم برابر صفر است، مقدار و جهت بردار اندازه حرکت زاويه اي ژيروسکوپ در فضاي اينرسي ثابت مي ماند.
حرکت تقديمي:
چنانچه گشتاوري مانند M در راستايي غير از راستاي بردار اندازه حرکت زاويه اي به روتور اعمال شود، محور چرخش در راستاي برداري عمود بر صفحه بردار گشتاور خارجي و اندازه حرکت زوايه اي، دوران خواهد کرد. جهت دوران به اين صورت است که بردار اندازه حرکت زوايه اي همواره با طي زاويه کوچک تر به طرف بردار گشتاور خارجي بچرخد.
انواع حرکت هاي متحرک در فضا:
هر متحرک در فضا ۶ درجه آزادي دارد که ٣ حرکت خطي و ٣ حرکت دوراني است. براي مشخص نمودن حرکت دوراني متحرک در فضا از ٣ محور عمود بر هم استفاده مي شود که عبارتند از: محور رول يا محور طول، محور پيچ يا محور عرضي و محور ياو.
محور رول:
محور طولي يا محور جلو – عقب را محور رول مي نامند و حرکت رول يعني دوران متحرک حول محور طولي خودش.
محور پيچ:
محور عرضي يا جنبي را محور پيچ گويند. و حرکت پيچ دوران متحرک حول محور عرضي خودش است که محوري افقي است و عمود بر محور طولي مي باشد.
محور ياو:
محور عمود بر دو محور ياو و پيچ است و دوران متحرک حول اين محور قائم را دوران ياو گويند.
سيستم ناوبري اينرسي (inertial guidance system):
يک سيستم ناوبري اينرسي شامل حداقل يک کامپيوتر و يک سکو يا جايگاه شامل شتاب سنج ها و ژيروسکوپ ها يا وسايل حس کننده ديگر براي حرکت خود است. اين سيستم، موقعيت و سرعت خود را در آغز به وسيله مرجعي ديگر به دست مي آورد (يک انسان يا GPS و …) و سپس موقعيت و سرعت جديد خود را به وسيله تجزيه اطلاعات دريافت شده از سنسورهاي حرکتي خود محاسبه مي کند.مزيت اين سيستم آن است که به جز در نقطه شروع، براي تعيين موقعيت و جهت گيري و يا سرعت خود، احتياج به هيچ مرجع خارجي ندارد.